直流配電系統(tǒng)儲能電池的BMS設(shè)計

1、引言

直流配電系統(tǒng)儲能電池的能量管理系統(tǒng)（BatteryManage System, BMS）研制存在以下技術(shù)難點：

1）實際使用環(huán)境在往往在高海拔地區(qū)，BMS電路芯片與其他電子元件在高海拔低壓環(huán)境下發(fā)生擊穿的風(fēng)險不可忽視；

2）采用三元鋰電池作為儲能元件能有效降低儲能裝備整備重量，但由于電芯材料活躍度高，在高溫狀態(tài)時易發(fā)生熱分解，引致電池起火、爆炸威脅電力系統(tǒng)和人身安全；

3）采用帶有安全閥和鋼殼外套的18650電池可以在一定程度上減少電池起火風(fēng)險，但多個串并聯(lián)單體組成的電池組在多次循環(huán)充放電后，電芯一致性逐漸變差，或因電池組PACK工藝不一致，造成各串聯(lián)電芯組電壓均衡失穩(wěn)，影響電池組壽命，也同時帶來了充電過壓等安全隱患；

4）鋰電池組有效荷電容量隨電池充放電次數(shù)的增加、電池組出廠時間的延長逐漸減小，而電芯材料技術(shù)正處于飛速發(fā)展階段，更迭換代速度快，在原電池失活后難以找到相同參數(shù)（同電壓平臺、同放電曲線、同容量等）的電芯進行替換。

以上問題對直流配電系統(tǒng)儲能電池的BMS設(shè)計提出了以下技術(shù)難點和要求：

1）BMS電路及元件耐壓需進行高海拔修正設(shè)計，杜絕或謹慎使用低壓低溫敏感元件；

2）加強電池熱能管理，合理增加電芯及PACK各部位的溫度采樣傳感器數(shù)量，有效采集電芯關(guān)鍵位置的溫度狀態(tài)，兼顧高/低溫狀態(tài)下的電池散熱和熱控；

3）引入電芯單體均衡環(huán)節(jié)，以軟件主動/硬件被動的方式，在安全工作的前提下，高效設(shè)計電芯單體均衡體系；

4）采用彈性設(shè)計理念，針對不同的電芯串聯(lián)個數(shù)、單體容量、平臺電壓等進行兼容設(shè)計，對不同的單體放電曲線，采用軟件定制的設(shè)計方式，保障BMS的通用性；

5）合理管理電池充放電狀態(tài)，從全局出發(fā)整合充/放電電路，兼顧小電流充電/倍率放電和不間斷供電的實際需求。

根據(jù)以上技術(shù)要求，對直流配電系統(tǒng)儲能電池BMS進行研制，采用NXP/Freescale主控芯片和LAPIS通信芯片為核心硬件架構(gòu)。

2、儲能電池BMS硬件設(shè)計

儲能電池系統(tǒng)如圖1所示，該儲能裝備的BMS，由強電部分和弱電部分組成。

2.1 BMS強電部分

BMS強電部分集成了DC/DC充電模塊和強電模塊，用于處理儲能裝備的大電流充放電、電流采集以及充放電控制。儲能裝備直接掛載在48V直流母線上，在交直流供電裝備斷電，或母線電壓波動時，提供不間斷電能。

圖1 直流配電系統(tǒng)儲能裝備電路原理

圖2 儲能電池系統(tǒng)BMS硬件部分

雙向DC/DC限流充電模塊直接掛載在48V直流母線上，參數(shù)為為：DC500W（48V/10.4A），可根據(jù)鋰電池電壓動態(tài)調(diào)整充電電壓、電流。DC/DC充電模塊為兩段充電的形式，當電池組端電壓低于47.5V時為大電流充電，電池電壓高于47.5V時，采用涓流充電，電流逐漸減少到0，同時電池端電壓逐漸增加到48V。

2.2 BMS弱電部分

弱電部分是BMS的核心部分，與強電部分和電池組相連，由電池組供電。如圖2所示，BMS弱電部分由主控芯片模塊、電池管理芯片模塊、RS485/RS422串口通信模塊，電池均衡模塊以及外圍電路等組成，用于采集鋰電池組電壓、溫度，電池充電均衡、實時監(jiān)控鋰電池的工作狀態(tài)并反饋給上位機。考慮到硬件的廣泛兼容性需求，BMS弱電部分設(shè)計為6~16串的18650電池進行通用管理。

如圖3所示，溫度探頭在電池包中設(shè)置在電池PACK內(nèi)的五個溫度敏感位置，分別為通信口，充放電口，箱體正中，弱電部分芯片板，強電部分控制板處，以充分了解電池PACK的各個敏感位置的溫度狀態(tài)。

圖3 溫度傳感器位置

均衡模塊硬件部分采用的是被動均衡模式（有損均衡），電路簡單，成本較低。在電池堆上并聯(lián)一個由分流電阻和開關(guān)MOS管組成的均衡模塊；均衡模塊的軟件部分由主控芯片控制，電源管理芯片執(zhí)行。當采集到電池的最高電壓Vmax和最低電壓Vmin滿足。

由電池管理芯片將最高電壓的電池堆上并聯(lián)的MOS管柵極導(dǎo)通，電流經(jīng)過分流電阻，起到均衡的作用。均衡電流應(yīng)合理選擇，均衡電流過小則效果不明顯，均衡電流過大則系統(tǒng)的能量損耗大，導(dǎo)致均衡效率低。此處設(shè)計均衡電流Iblc為50100mA；設(shè)計電池最高電壓Vmax為4.3V，最低電壓Vmin為2.8V，在充電時均衡開啟，分流電阻Rsnt~將成為電池的旁路負載，因此有：

因此有：

按照元件規(guī)格選取分流電阻為47Ω。

串口通信模塊同時支持RS485與RS422兩種通信模式，用于將電池狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸給上位機。對于以上兩種通訊方式分別選取MAXIM 485/488芯片，均采用半雙工的工作模式。電路中采用NEC R2561光耦進行光電隔離，增強通信模塊的抗干擾能力，通信模塊與主控芯片系統(tǒng)不共地，有效抑制高共模電壓的產(chǎn)生，降低芯片損壞率，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3、BMS軟件設(shè)計

3.1 軟件流程

圖4所示為BMS軟件流程圖，BMS軟件的設(shè)計目的是完整的儲能裝備控制系統(tǒng)，實現(xiàn)電池電壓、電流、溫度采集，電池荷電狀態(tài)的估算，單體電壓均衡，過充過放保護，與上位機通信功能。BMS的軟件設(shè)計思想采用模塊化和層次化的設(shè)計思路。模塊化是將要實現(xiàn)的同一功能綜合到一個代碼段內(nèi)部進行統(tǒng)一管理，便于修改。

多個軟件功能使用用單獨函數(shù)實現(xiàn)，程序得以分割；另外單獨函數(shù)在一定程度上可以被復(fù)用。層次化是在軟件運行中將一個工作分成多個環(huán)節(jié)，分別由不同的硬件和軟件模塊完成，以便于程序內(nèi)部各個函數(shù)之間進行通訊，調(diào)用和維護。BMS系統(tǒng)在運行主程序時，不斷地調(diào)用各個獨立的子函數(shù)，來協(xié)同完成對數(shù)據(jù)的采集和處理。

BMS軟件首先進行系統(tǒng)初始化：任務(wù)是完成硬件上電檢查，各個功能模塊的初始化以及應(yīng)用程序的初始化。初始化模塊包含軟件定時器、外圍通信協(xié)議SPI初始化、存儲器、A/D模塊、串口通信SCI、總線時鐘、指示燈設(shè)置等初始化模塊；應(yīng)用程序初始化包含對各個變量初始值的設(shè)定、相關(guān)變量和數(shù)組的申明、通訊協(xié)議以及電壓、電流及溫度保護上限和下限預(yù)設(shè)值的定義等。

其中保護上下限值、電池總安時數(shù)等預(yù)設(shè)值還可以通過BMS串口通信進行在線設(shè)定，以增加系統(tǒng)的彈性穩(wěn)定性。第二獲取各初始值并進行初始值狀態(tài)判定，并寫入通訊芯片的寄存器中。然后軟件進入采集循環(huán)，通過調(diào)用子程序進入中斷，查詢、操作與中斷返回的方式獲取電池多個關(guān)鍵信息，執(zhí)行多項電池操作。在中斷執(zhí)行完后返回主函數(shù)循環(huán)。軟件通過不斷跳出與返回循環(huán)，完成系統(tǒng)各項任務(wù)。

圖4 軟件流程圖

3.2 中斷響應(yīng)

串口通訊是通過響應(yīng)串口中斷來實現(xiàn)的，程序中除了串口還設(shè)置有定時中斷和電流檢測中斷等。對于本系統(tǒng)主芯片MC9S08DZ60的中斷優(yōu)先級如表1所示。

表1 中斷優(yōu)先級

主程序中采用的是定時中斷的處理方法，每個中斷響應(yīng)時，完成不同的任務(wù)。中斷響應(yīng)以后，程序主要采集電壓、溫度、電流值；鋰電池狀態(tài)判定；控制FET對電池的充放電開關(guān)控制，鋰電池單體電壓的均衡控制，電池剩余容量SOC的估算等。系統(tǒng)和上位機的通信采用的是串口中斷通信，上位機以MODBUS協(xié)議為基礎(chǔ)改編，在芯片接收代碼并校驗以后，讀取寄存器中的各項數(shù)據(jù)值，返回至上位機，供監(jiān)測人員實時觀測狀態(tài)。通訊協(xié)議中支持讀取芯片寄存器中的內(nèi)容，同樣也支持修改寄存器中初始化設(shè)定的各項預(yù)設(shè)值，便于根據(jù)不同的使用狀態(tài)來修改上下限值。

3.3 電池控制

儲能裝備掛載在直流母線上，需要進行全面控制，避免電池組出現(xiàn)失控情況。表2所示為電池組控制表，對電池組截止電壓、截止電流、高低溫以及電池單體均衡進行控制，當控制變量超過限定值時進行控制，待控制變量恢復(fù)到限定值內(nèi)時解除控制。

表2 電池組控制表

其中電壓控制、充電電流控制由電池單體性能決定；放電過電流控制是為避免母線短路情況下的電池過放采取的控制手段；高低溫控制是根據(jù)儲能裝備的實際使用環(huán)境確定的-10℃~50℃的保護值；電池均衡是解決電池單體電壓失衡的有效手段。

4、測試及實際應(yīng)用

4.1 儲能裝備測試

將BMS電路板放入老化試驗箱48h進行設(shè)備老化測試后，與電池組、箱體等進行組裝，PACK完成后的儲能裝備如圖所示。測試分為環(huán)境試驗和功能測試兩部分。

根據(jù)儲能裝備實際使用環(huán)境，結(jié)合技術(shù)要求進行模擬環(huán)境測試。測試條件為：

表3 儲能裝備測試條件

表4所示為儲能裝備的環(huán)境測試結(jié)果。由表4可知：儲能裝備在低壓低溫、低壓高溫、常壓低溫、常壓高溫的4類低頻隨機振動環(huán)境下，充放電狀態(tài)符合軟件邏輯，通信狀態(tài)均正常，裝備狀態(tài)均可正常使用。

表4 儲能裝備環(huán)境測試結(jié)果

注：A低溫B高溫M低壓L常壓Fc振動